Revolutionärer elektrooptischer Laser: 30 GHz Pulsrate für ultraschnelles Imaging & Kommunikation

• Neuer elektrooptischer Laser ist 100-mal schneller als konventionelle Ultrakurzpulslaser.
• System ist zuverlässig und erzeugt präzise, stabile Pulse bei 30 GHz.
• Einsetzbar in biologischer/chemischer Bildgebung und für schnellere Kommunikationsnetze.

Ultrakurzpulslaser erzeugen Lichtpulsfolgen von Femtosekunden-Dauer. Sie können als Frequenzkämme dienen und Frequenz- und Zeitreferenz zwischen Mikrowellen- und Optikbereich des elektromagnetischen Spektrums bereitstellen.

Da die Phase dieser Pulse kontrollierbar ist, gibt es Anwendungen von der Steuerung quantenmechanischer Zustände bis zu optischen Atomuhren. Obwohl Ultrakurzpulslaser-Fähigkeiten über Jahre verbessert wurden, benötigen sie integrale Stabilität des modengekoppelten Resonators.

Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) präsentieren nun einen alternativen Ansatz, der optische Pulsserien ohne Modenkopplung erzeugt. Sie nennen es elektrooptischen Laser, der Pulse 100-mal schneller als traditionelle Ultrakurzpulslaser emittiert. Im Grunde: elektrooptische Modulation eines Lasers mit gängiger Elektronik.

Unterschied zu Ultrakurzpulslasern

Obwohl die Idee eines elektrooptischen Lasers einfach ist und die Technologie seit fast 50 Jahren existiert, gelang es Wissenschaftlern nicht, Licht zum Emittieren ultrakurzer Pulse zu schalten, während elektronische Störungen eliminiert wurden.

Üblicherweise beinhaltet Modenkopplung das Hin- und Herreflektieren von Licht in einem gespiegelten Hohlraum, sodass Wellen konstruktiv interferieren und kurze Pulse erzeugen. Die neue Technik nutzt einen brachialeren Mechanismus: Sie zerteilt einen kontinuierlichen Laserstrahl in separate Pulse, wodurch wärmeinduzierte Interferenzen reduziert werden.

Während Signale im Hohlraum hin- und herlaufen, erscheinen feststehende Wellen bei höchsten Frequenzen, die alle anderen Frequenzen blockieren. Signalstabilisierung und -filterung erfolgen innerhalb dieses Hohlraums.

Konkret nutzten sie einen Infrarotlaser (kontinuierliche Welle) zur Pulserzeugung mit einem Oszillator, stabilisiert durch einen maßgeschneiderten Hohlraum. Alle Pulse sind uniform und passieren eine Mikrochip-Wellenleiterstruktur, um verschiedene Farben im Frequenzkamm zu erzeugen.

Referenz: ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST

Ein optischer Frequenzkamm dient als Quelle im traditionellen Ultrakurzpulslicht. Solche Kämme werden mit modengekoppelten Lasern gebaut, die Pulse aus mehreren Lichtwellenfarben erzeugen, die sich überlagern und Verbindungen zwischen Mikrowellen- und Optikfrequenzen schaffen. Der elektrooptische Laser hingegen appliziert elektronische Schwingungen auf einen Infrarotlaser und formt Pulse effizient ins Licht.

Elektrooptischer Laser isoliert Licht bestimmter Frequenzen zu einem Frequenzkamm verschiedener Farben | David Carlson/NIST

Modengekoppelte Lasern erzeugen Pulse alle 10 Nanosekunden, der elektrooptische Laser braucht nur 100 Pikosekunden pro Pulse (100-mal schneller).

Anwendungen

Für den Bau des elektrooptischen Lasers nutzten Forscher nur kommerziell erhältliche Mikrowellen- und Telekommunikationsinstrumente. Das macht das System zuverlässiger. Auch Stabilität und Genauigkeit sind ordentlich, geeignet für schnellere Kommunikationssysteme und Langzeitmessung optischer Taktnetzwerke.

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Zudem kann dieser Laser in biologischer und chemischer Bildgebung eingesetzt werden, um spezifische Bildgebungsarten von Geweben/Chemikalien zu beschleunigen. Beispielsweise könnte hyperspektrale Bildgebung, die normalerweise eine Minute dauert, in Echtzeit durchgeführt werden.